CN111601245A - 用嵌uwb模块的手机测量和预警社交距离的方法和系统 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种用嵌UWB模块的手机测量和预警社交距离的方法和系统,属于超宽带UWB技术测距定位及通信技术领域。该系统包括若干嵌有UWB模块的智能手机和一个服务器。该方法中，两个嵌有UWB模块的智能手机通过搜寻建立通信连接关系后，若该两个手机间的距离小于等于安全社交距离，则该两个手机分别向各自用户发出提示预警并相互交换用户的社交ID，然后将对方用户的社交ID、当前时刻、地理位置、接触时间的信息上传服务器完成社交登记。服务器在有需要时可根据社交登记向相关社交ID发出预警。本发明无需定位基站，仅通过嵌有UWB模块的智能设备和移动通信网络即可获取人群社交距离信息并进行预警，方法简单，易于实现。

Description

用嵌UWB模块的手机测量和预警社交距离的方法和系统

技术领域

本发明属于超宽带UWB技术测距定位及通信技术领域，特别提出一种用嵌UWB模块的手机测量和预警社交距离的方法和系统。

背景技术

测量并记录人与人之间的社交距离，并对社交距离在安全范围以内的情况进行预警，逐渐成为人们社会活动的新需求。社会生活中人口流动情况复杂，人们通过公交地铁、飞机轮船、超市商场、娱乐场所等公共空间或场所可能密切接触大量的陌生人。在发生大规模传染病疫情时，人与人之间的密切接触可能成为疾病传播的主要途径。如果能够获取人们之间的社会接触距离信息，则可以在社交距离过近时预警。如果能够安全有效地收集人群社交距离信息，当发现确诊病患时，可以及时搜寻在高危时间段内与其接触的相关人群，向这些有被传染风险的人们通报预警，以便疾控安排。

目前尚没有有效的办法准确获取并记录人们的密切接触人群信息，也没有足够的预警机制。在需要时，主要的排查办法是通过获取个人的历史踪迹，例如手机漫游定位、交通工具乘坐记录、安防视频追踪等方法，间接获取可能接触的人群信息。这种做法效率低、漏查错查可能性大。

超宽带技术(UWB)始于20世纪60年代兴起的脉冲通信技术。2002年，美国正式将3.1GHz～10.6GHz频带作为室内通信用途的UWB开放，标志着UWB开始用于民用无线通信。中国也从2006年开始UWB频谱规划。自2018年起，IEEE 802.15个域网TG4z任务组开始定义UWB脉冲无线电在物理层上的一系列增强型功能，包括对现有调制方式对改进及相关测距技术的提高。UWB技术是一种新型的无线通信技术，其主要包括两方面的功能，一是支持宽带无线通信传输；二是进行高精度测距定位。UWB技术利用其纳秒或微秒级以下的极窄脉冲来实现无线传输的特点，通过检测信号脉冲位置结合某些定位算法来计算信号在空中飞行的时间，该时间乘上信号在空中传输的速率(一般认为是光速)即得到检测设备和被检测设备之间的距离，达到定位的目的，精度可以达到厘米级别的精确定位。

已有名为《一种基于UWB的重点区域外来人员定位系统及方法》(CN109541530A)的专利申请，公开了一种利用UWB技术进行人员定位的系统和方法，系统结构如图1所示。该系统包括了定位基站、定位标签、定位解算模块和信息管理模块。访客通过佩戴定位标签，由系统中的定位基站测算定位信息，方法主要包括以下步骤：

1)UWB定位基站之间以及定位基站与定位标签之间进行时钟同步；

2)定位标签根据时隙型ALOHA算法向定位基站发送包含自身设备信息的UWB脉冲信号数据；

3)各定位基站分别接受定位标签发送的UWB脉冲信号数据，并将接收到的信号时刻数据及基站信息数据发送至定位解算模块；

4)定位解算模块对接收数据计算定位标签的定位坐标。

上述系统与方法可以用来测量人员的具体定位坐标，进一步测算出人员之间的物理距离。但是这种办法对于解决前述获取社交距离的问题存在以下不足：

1)上述系统和方法需要使用多个定位基站，只能获取由定位基站覆盖的固定空间中人员的定位信息。而实际的社会活动空间非常广阔，既可能在室内，也可能在室外甚至是运动的公共空间中，在所有社交空间中都布局定位基站代价高昂；

2)使用者需要额外佩戴定制的定位标签，这增加了出行人员的携带设备，不符合大多数人出行习惯；

3)佩戴定位标签的人员位置信息只能由与定位基站连接的信息管理模块获取，定位标签本身无法实时获取在安全社交距离内其他标签(人员)的具体信息，无法实时预警；

4)不与现有手机移动通信网络兼容，方案普及难度大，只适用于小型固定社交空间的场合。

发明内容

本发明的目的是为克服已有技术的不足之处，提出一种用嵌UWB模块的手机测量和预警社交距离的方法和系统。本发明无需使用绝大多数UWB定位系统中都需要用到的定位基站，仅通过嵌有UWB模块的手机(也包含智能手表、平板电脑、智能眼镜等嵌有UWB模块的移动智能设备)和现有手机移动通信网络，即可获取出行人员的人群接触社交距离信息，并在需要的时候进行预警，方法简单，易于实现。

本发明提出一种用嵌UWB模块的手机测量和预警社交距离的方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)任一嵌有UWB模块的智能手机处于搜寻状态时，通过不断发送和接收UWB信号搜寻周边环境中其他嵌有UWB模块的智能手机，直到发现同样处于搜寻状态的其他嵌有UWB模块的智能手机后，两个智能手机建立通信连接关系；

2)步骤1)建立通信连接关系的两个智能手机通过时间到达TOA算法测量该两个智能手机的物理距离并进行判定：

如果该物理距离小于等于设定的安全社交距离，则进入步骤3)；

如果该物理距离大于设定的安全社交距离，则该两个智能手机解除通信连接关系，返回步骤1)重新进入搜寻状态，直至建立通信连接关系的两个智能手机的物理距离小于等于设定的安全社交距离，进入步骤3)；

3)建立通信连接关系的两个智能手机分别立即向各自的用户发出提示预警；同时，该两个嵌有UWB模块的智能手机相互交换用户的社交ID，两个智能手机分别将对方用户的社交ID、当前时刻、地理位置、接触时间通过移动通信网络上传至服务器信息管理模块，完成一次社交登记；

4)在完成一次社交登记后，建立通信连接关系的两个智能手机断开通信连接关系，然后重新返回步骤1)，每个嵌有UWB模块的智能手机继续搜寻周边环境中其他处于搜寻状态的嵌有UWB模块的智能手机；

5)服务器信息管理模块将接收到的所有来自嵌有UWB模块的智能手机的社交登记信息存入社交距离信息数据库；若存在需求时，服务器信息管理模块从该数据库调取出任一社交ID所持嵌有UWB模块的智能手机在设定时间段内的社交登记信息，并向该社交登记信息中对应社交ID的智能手机发出提示预警信息。

本发明还提出一种基于上述方法的测量和预警社交距离的系统，该系统包括N个智能手机和一个服务器，所述服务器与每个智能手机通过移动通信网络连接；其特征在于，每个智能手机中嵌有一个UWB模块，所述UWB模块包括：UWB定位测距子模块、UWB通信子模块、UWB收发子模块、UWB射频子模块以及UWB天线子模块；所述UWB通信子模块、UWB定位测距子模块和UWB收发子模块两两相互连接，UWB收发子模块连接UWB射频子模块，UWB射频子模块连接UWB天线子模块；

所述UWB通信子模块用于通过UWB信号收发通信算法发送并接收社交ID及社交登记的通信信息；

所述UWB测距子模块用于通过TOA算法获取与自身所在智能手机建立通信连接关系的智能手机的距离信息；

所述UWB收发子模块用于将通信与距离信息生成待发送的基带UWB信号，并且将接收到的基带UWB信号转换为通信和距离信息；

所述UWB射频子模块用于将从UWB收发子模块接收到的待发送的基带UWB信号调制到射频频率成为UWB射频信号并发送给UWB天线子模块，并且将UWB天线子模块接收到的UWB射频信号调制到基带频率成为基带UWB信号然后发送给UWB收发子模块；

所述UWB天线子模块用于发送和接收UWB射频信号；

所述服务器，设置有信息管理模块，用于收集由嵌有UWB模块的手机通过移动通信网络上传的社交登记信息，建立社交距离信息数据库，并根据需求通过移动通信网络向任一嵌有UWB模块的智能手机发送预警信息。

本发明的特点及有益效果：

1.通过本发明，持有嵌有UWB模块的智能手机的用户可以实时获取精确的社交距离信息。

2.本发明中，通过向服务器登记的人与人之间的社交距离信息，在有需求的时候可以及时发现并预警与某社交ID有过密切社交接触的人群，在例如大规模传染病疫情等特殊情况下有效预防或抑制疫情的蔓延。

3.本发明方法中的测距操作无需在固定的场所安装UWB定位基站，大大节省了应用成本，突破了UWB技术应用的空间局限性。

4.本发明提出的实现系统的主要载体是人们日常使用的智能手机，用户无需佩戴额外的定位标签等装置，使用方便。

附图说明

图1是现有的一种基于UWB的重点区域外来人员定位系统的结构示意图；

图2是本发明方法的整体流程图；

图3是本发明实施例中嵌有UWB模块的智能手机A与周围嵌有UWB模块的智能手机以及服务器之间的信息交互示意图；

图4是本发明系统的结构示意图；

图5是实施例中智能手机中UWB模块的结构示意图图；

图6是本发明实施例中控制UWB模块的人机交互软件的界面及配置参考示意图；

图7是本发明实施例中服务器管理模块发送的提示预警信息的参考界面示意图。

具体实施方式

本发明提出一种用嵌UWB模块的手机测量和预警社交距离的方法和系统，下面结合附图和具体实施例对本发明进一步详细说明如下。

本发明提出一种用嵌UWB模块的手机测量和预警社交距离的方法，整体流程如图2所示，具体包括以下步骤：

1)任一嵌有UWB模块的智能手机(也包含智能手表、平板电脑、智能眼镜等嵌有UWB模块的移动智能设备)处于搜寻状态时，通过不断发送和接收UWB信号，不间断地搜寻周边环境中其他嵌有UWB模块的智能手机，直到发现同样处于搜寻状态的其他嵌有UWB模块的智能手机后，两个智能手机建立通信连接关系。

2)步骤1)建立通信连接关系的两个智能手机通过时间到达TOA算法测量(这里的测量过程需要两个手机都参与，最终通过测距算法获取距离信息可以只由一个智能手机完成，并通过建立的通信将距离信息分享给另一个手机，当然也可以由两个手机分别获取)该两个智能手机的物理距离并进行判定：

如果该物理距离小于等于设定的安全社交距离，则直接进入步骤3)；

如果该物理距离大于设定的安全社交距离，则该两个智能手机解除通信连接关系，返回步骤1)重新进入搜寻状态，直至建立通信连接关系的两个智能手机的物理距离小于等于设定的安全社交距离，进入步骤3)。

3)建立通信连接关系的两个智能手机分别立即向各自的用户发出提示预警。同时，该两个嵌有UWB模块的智能手机相互交换用户的社交ID(例如用户的手机号码，或者用户通过智能手机注册的身份信息)。两个智能手机分别将对方用户的社交ID，以及当前时刻、地理位置、接触时间等相关信息通过现有手机移动通信网络上传至服务器信息管理模块，完成一次社交登记。

4)在完成一次社交登记后，建立通信连接关系的两个智能手机断开通信连接关系，然后重新返回步骤1)，每个嵌有UWB模块的智能手机继续搜寻周边环境中其他处于搜寻状态的嵌有UWB模块的智能手机。

5)服务器信息管理模块将收集到的所有来自嵌有UWB模块的智能手机的社交登记信息存入社交距离信息数据库。若存在需求的时候，服务器信息管理模块及时从数据库调取出任一社交ID所持嵌有UWB模块的智能手机登记的在设定时间段内社交距离小于设定安全社交距离的全部社交ID，并对调取的全部社交ID的智能手机发出提示预警信息。

下面结合实施例，对本发明的具体实施方式做进一步的详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

实施例是利用本发明在大规模传染病疫情时追踪并预警感染者的密切接触人群，该实施例的实现方式示意图如图3所示，包括以下步骤：

1)任一嵌有UWB模块的智能手机处于搜寻状态时，通过不断发送和接收UWB信号，不间断地搜寻周边环境中其他嵌有UWB模块其他智能手机，直到发现同样处于搜寻状态的其他嵌有UWB模块的智能手机后，两个智能手机建立通信连接关系。其中：

任一嵌有UWB模块的智能手机A内安装有控制UWB模块的人机交互软件，在得到用户的使用授权后，启动UWB模块不间断地搜寻周边环境中嵌有UWB模块的其他智能手机。

智能手机A不断向周围环境发送携带本机社交ID的UWB信号；同时不断接受周围环境中UWB信号，识别出携带社交ID的其他嵌UWB模块的智能手机。

2)步骤1)建立通信连接关系的两个智能手机通过时间到达TOA算法测量该两个智能手机的物理距离并进行判定；当嵌有UWB模块的智能手机A识别出同样处于搜寻状态的嵌有UWB模块的智能手机B后，通过通用的时间到达TOA算法测算出电磁波在手机A和手机B之间飞行的时间，进而计算出两个智能手机之间的物理距离d_AB。

如果测得的物理距离d_AB大于设定的安全社交距离d_safe，则该两个智能手机解除通信连接关系，返回步骤1)重新进入搜寻状态，直至建立通信连接关系的两个智能手机的物理距离小于等于设定的安全社交距离，则进入步骤3)。

3)当测量的物理距离小于设定的安全社交距离，嵌有UWB模块的手机A和B分别立即向各自的用户发出提示预警，同时手机A与手机B相互交换各自用户的社交ID，并通过移动通信网络完成一次社交登记，具体步骤如下：

3a)当测量的物理距离小于设定的安全社交距离时，嵌有UWB模块的手机A和B通过用户预设的方式，例如语音、振动等形式，分别向持机用户发出预警，提示周围有人出现在安全的社交记录范围以内。

3b)手机A和手机B通过UWB信号交换彼此的社交ID信息，智能手机A和智能手机B分别将此次密切接触事件的所有信息，包括对方用户的社交ID、当前时间、当前地理位置(此信息可由智能手机的已有功能模块例如GPS模块获取)、接触时间等，通过移动通信网络上传至服务器，此操作称之为一次社交登记。

4)在完成一次社交登记操作后，建立通信连接关系的两个智能手机断开通信连接关系，然后重新返回步骤1)，每个智能手机继续搜寻周边环境中其他处于搜寻状态的嵌有UWB模块的智能手机。

5)服务器信息管理模块不断收集来自嵌有UWB模块的智能手机的社交登记信息，并将这些信息添加到社交距离信息数据库。当某社交ID确诊患病时，服务器及时从数据库调取出该社交ID所持嵌有UWB模块的手机在某时间段(该时间段可为该疾病的潜伏期或高危传染期)内的社交登记记录，查找到与之密切接触过的人群的社交ID，并通过移动通信网络对这些社交ID所持的嵌有UWB模块的智能手机发出提示预警信息，包括发生密切接触的时间、地理位置信息等。

本发明还提出一种基于上述方法的测量和预警社交距离的系统，该系统结构如图4所示。该系统包括：若干嵌有UWB模块的智能手机和一个服务器。所述服务器与每个嵌有UWB模块的智能手机通过已有移动通信网络连接。其中，每个嵌有UWB模块的智能手机采用在通用的智能手机中嵌入UWB模块，，每个智能手机的UWB模块示意图如图5所示，包括：UWB定位测距子模块、UWB通信子模块、UWB收发子模块、UWB射频子模块以及UWB天线子模块。所述UWB通信子模块、UWB定位测距子模块和UWB收发子模块两两相互连接，UWB收发子模块连接UWB射频子模块，UWB射频子模块连接UWB天线子模块。

所述UWB通信子模块用于完成UWB信号收发通信算法，发送并接收社交ID及社交登记等通信信息；

所述UWB测距子模块用于通过TOA算法获取与自身所在智能手机建立通信连接关系的智能手机的距离信息；

所述UWB收发子模块是根据UWB物理层协议，将通信与距离信息通过编码加密等操作生成待发送的基带UWB信号，或者完成相反方向的操作，将接收到的基带UWB信号转换为通信和距离信息。

所述UWB射频子模块用于将从UWB收发子模块接收到的待发送的基带UWB信号调制到射频频率成为UWB射频信号并发送给UWB天线子模块，并且将UWB天线子模块接收到的UWB射频信号调制到基带频率成为基带UWB信号然后发送给UWB收发子模块；

所述UWB天线子模块用于发送和接收UWB射频信号。

所述服务器，设置有信息管理模块，用于收集由嵌有UWB模块的手机利用UWB天线子模块通过移动通信网络上传的社交登记信息，建立社交距离信息数据库，并根据需求通过移动通信网络向某些社交ID持有的嵌有UWB模块的智能手机发送预警信息。

本实施例中步骤1)所述的控制UWB模块的人机交互软件的界面及配置参考如图6所示。用户在第一次打开所述软件应用是，选择“是否授权UWB设备测量社交距离并交换社交ID信息”。在同意授权后，用户需要设置确认“安全社交距离”，例如在某传染病疫情时根据疾控中心指导意见设置为“2m”。之后，用户需要确认自己的社交ID信息，在本实施例中默认值为用户的手机号码。接下来，设置“喜欢的实时预警方式”，这是在实施例所述步骤3)时实时提醒用户已发生人与人的物理距离小于安全社交距离的事件。

本实施例中步骤5)所述的密切接触者收到服务器管理模块发送的提示预警信息的参考界面如图7所示。当服务器向某密切接触者发送信息后，该用户的嵌UWB模块的智能手机自动显示推送信息，提醒用户查看。之后将显示该用户与确诊患者曾经发生密切接触的时间、地点、持续时间等信息，提醒用户采取应急措施。

Claims (2)

1.一种用嵌UWB模块的手机测量和预警社交距离的方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)任一嵌有UWB模块的智能手机处于搜寻状态时，通过不断发送和接收UWB信号搜寻周边环境中其他嵌有UWB模块的智能手机，直到发现同样处于搜寻状态的其他嵌有UWB模块的智能手机后，两个智能手机建立通信连接关系；

2)步骤1)建立通信连接关系的两个智能手机通过时间到达TOA算法测量该两个智能手机的物理距离并进行判定：

如果该物理距离小于等于设定的安全社交距离，则进入步骤3)；

如果该物理距离大于设定的安全社交距离，则该两个智能手机解除通信连接关系，返回步骤1)重新进入搜寻状态，直至建立通信连接关系的两个智能手机的物理距离小于等于设定的安全社交距离，进入步骤3)；

3)建立通信连接关系的两个智能手机分别立即向各自的用户发出提示预警；同时，该两个嵌有UWB模块的智能手机相互交换用户的社交ID，两个智能手机分别将对方用户的社交ID、当前时刻、地理位置、接触时间通过移动通信网络上传至服务器信息管理模块，完成一次社交登记；

4)在完成一次社交登记后，建立通信连接关系的两个智能手机断开通信连接关系，然后重新返回步骤1)，每个嵌有UWB模块的智能手机继续搜寻周边环境中其他处于搜寻状态的嵌有UWB模块的智能手机；

5)服务器信息管理模块将接收到的所有来自嵌有UWB模块的智能手机的社交登记信息存入社交距离信息数据库；若存在需求时，服务器信息管理模块从该数据库调取出任一社交ID所持嵌有UWB模块的智能手机在设定时间段内的社交登记信息，并向该社交登记信息中对应社交ID的智能手机发出提示预警信息。

2.一种基于如权利要求1所述方法的测量和预警社交距离的系统，该系统包括N个智能手机和一个服务器，所述服务器与每个智能手机通过移动通信网络连接；其特征在于，每个智能手机中嵌有一个UWB模块，所述UWB模块包括：UWB定位测距子模块、UWB通信子模块、UWB收发子模块、UWB射频子模块以及UWB天线子模块；所述UWB通信子模块、UWB定位测距子模块和UWB收发子模块两两相互连接，UWB收发子模块连接UWB射频子模块，UWB射频子模块连接UWB天线子模块；

所述UWB通信子模块用于通过UWB信号收发通信算法发送并接收社交ID及社交登记的通信信息；

所述UWB测距子模块用于通过TOA算法获取与自身所在智能手机建立通信连接关系的智能手机的距离信息；

所述UWB收发子模块用于将通信与距离信息生成待发送的基带UWB信号，并且将接收到的基带UWB信号转换为通信和距离信息；

所述UWB射频子模块用于将从UWB收发子模块接收到的待发送的基带UWB信号调制到射频频率成为UWB射频信号并发送给UWB天线子模块，并且将UWB天线子模块接收到的UWB射频信号调制到基带频率成为基带UWB信号然后发送给UWB收发子模块；

所述UWB天线子模块用于发送和接收UWB射频信号；

所述服务器，设置有信息管理模块，用于收集由嵌有UWB模块的手机通过移动通信网络上传的社交登记信息，建立社交距离信息数据库，并根据需求通过移动通信网络向任一嵌有UWB模块的智能手机发送预警信息。

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